光柵-液晶復合結構太赫茲移相器

龍 潔， 李九生

中國計量大學太赫茲研究所， 浙江 杭州 310018

引 言

近年來， 隨著太赫茲技術及其應用的快速發展， 各類太赫茲控制器件需求也隨之增加， 其中包括太赫茲開關[1]、 太赫茲分束器[2]、 太赫茲吸收器[3]、 太赫茲調制器[4]和太赫茲濾波器[5]等。 作為太赫茲系統重要器件之一， 太赫茲波移相器成為當前研究熱點。 2004年， Chen[6]等提出一種在液晶盒內部嵌入金屬條形結構的太赫茲移相器， 室溫下可實現4.07°相移量。 2014年， Yang[7]等提出了一種以氧化銦錫作為電極材料透射型太赫茲移相器， 該移相器能夠在5.66 V的電壓下實現90°相移。 2016年， Fan[8]等提出了一種將液晶填充于石英基底的太赫茲移相器， 該移相器在0.2～1 THz頻段能產生270°相移。 2017年， Chodorow等[9]提出在氧化銦錫電極上構造光柵結構太赫茲移相器可實現180°相移量。 2018年， Xia[10]等研究在石英基板上印刷兩個長度不等的偶極子來構造一種反射式太赫茲移相器， 該移相器諧實現最大相移量331°。 2016年， Du[11]等提出一種由石英層、 電極層、 E7液晶層、 電極層、 石英層組成的電控太赫茲移相器， 實現129.4°相移量。 2019年， Kuo等[12]提出以CMOS電路驅動電壓設計透射式太赫茲移相器， 實現360°相移。 已有移相器存在著尺寸較大、 結構復雜、 相移量較小等問題， 為克服上述缺陷， 本文設計了一種光柵-液晶復合結構太赫茲移相器， 在液晶盒底部嵌入硅光柵結構， 在頻率0.39～0.46 THz范圍內實現400°相移量， 回波損耗均小于-11 dB， 其中在頻率0.43 THz處獲得422°相移量， 在太赫茲波入射角0°～30°內對太赫茲移相器的相移量沒有影響， 并且該器件對入射太赫茲波的偏振不敏感。 該太赫茲移相器具有器件結構尺寸小， 相移量大， 便于調控等優點， 在未來太赫茲通信、 安檢、 醫療、 傳感、 成像等領域中有廣闊的應用前景。

1 實驗部分

提出太赫茲移相器三維結構如圖1(a)所示， 器件從上到下依次為石英層、 石墨烯電極層、 液晶盒、 硅光柵結構層以及石墨烯電極層和石英層。 其中硅光柵結構分布在液晶盒底層， 光柵結構層所用材料為高阻硅， 相對介電常數為ε1=11.9， 高度為h1=20 μm。 二氧化硅材料的相對介電常數為ε0=3.9， 厚度為h0=260 μm， 液晶盒高度h2=20 μm。 液晶盒上下表面的石墨烯層作為電極。 液晶盒底部的周期性硅光柵層結構圖如圖1(b)所示。

圖1 太赫茲移相器(a)： 三維結構示意圖； (b)： 底層硅光柵結構示意圖；(c)： 太赫茲波在太赫茲移相器中傳輸模型Fig.1 Schematic diagram of terahertz phase shifter

當太赫茲波入射到所設計的移相器結構時， 液晶盒下部分布的周期性硅光柵起到了分光作用， 因而不同衍射級上出現亮暗條紋， 并且在相鄰光束之間產生相位差。 不考慮介質層吸收和石墨烯電極的厚度， 液晶盒下部分布的周期性硅光柵物理模型如圖1(c)所示。 當太赫茲波沿著光線1透過光柵結構所產生的相位延遲可以表示為

可以得到太赫茲波沿著光線1和光線2所產生相位差為

光柵結構透過率可以通過式(4)計算得到

式(6)中， fx=sinθ/λ， 各級太赫茲波通過該結構的衍射效率表達式可表示為

ηm=U2(fx)*U2(fx)=|cm|2

(7)

太赫茲波通過該光柵結構衍射效率可以表示為[13]

式(8)中， ρ為占空比ρ=a/d。

2 結果與討論

本文所采用的液晶材料為GT3-23001， 未加電狀態下液晶介電常數記為ε⊥， 加電狀態下液晶介電常數記為ε∥， 具體取值為ε⊥=2.47，tanδ⊥=0.03， ε∥=3.26，tanδ∥=0.02。 圖2為不同光柵周期下太赫茲波衍射效率。 當光柵常數d=60μm時， 衍射效率曲線關于第0衍射級呈對稱分布， 在第0衍射級的衍射效率最高， 達到了99.8%。 在第±5衍射級達到80%衍射效率， 在第±2衍射級、 第±4衍射級、 第±6衍射級、 第±8衍射級、 第±10衍射級時這幾個偶數級衍射效率為0。 在第±1衍射級、 第±3衍射級、 第±7衍射級、 第±9衍射級產生較小衍射峰， 超過第±10衍射級的高衍射級太赫茲波衍射效率均為0。 隨著光柵常數的增大， 衍射曲線總體分布特征并未改變， 而各衍射級太赫茲波衍射效率有不同程度增加。

圖2 不同光柵常數下太赫茲波衍射效率Fig.2 Terahertz waves diffraction efficiencyunder different grating constants

為了探究不同光柵常數下太赫茲波通過所設計結構的衍射效率規律， 本文計算了光柵常數為d=60 μm，d=61 μm，d=62 μm，d=63 μm，d=64 μm和d=65 μm時太赫茲波衍射強度如圖3(a)—(f)所示。 當光柵常數在60～65 μm范圍內變化時， 太赫茲波衍射強度最強的位置均集中在第0衍射級， 此時衍射效率最高， 在第±5衍射級太赫茲波衍射強度較強， 且在該衍射級邊緣出現兩種不同強度的光斑， 這是因為光柵結構起到了分光作用。 在第±2衍射級、 第±4衍射級、 第±6衍射級、 第±8衍射級、 第±10衍射級這幾個偶數級和超過±10的高衍射級時， 太赫茲波衍射強度最弱， 對應衍射效果最差。

圖3 不同光柵常數下太赫茲波衍射強度(a)： d=60 μm； (b)： d=61 μm； (c)： d=62 μm； (d)： d=63 μm； (e)： d=64 μm； (f)： d=65μmFig.3 Terahertz diffraction intensity at different grating constants(a)： d=60 μm； (b)： d=61 μm； (c)： d=62 μm； (d)： d=63 μm； (e)： d=64 μm； (f)： d=65μm

不同液晶材料介電常數ε⊥=2.47(無外加電場)和ε∥=3.26(有外加電場)太赫茲波通過移相器衍射效率如圖4所示， 與之對應的太赫茲波衍射強度如圖5。 從圖4中可以發現， 衍射效率最高的點集中在0衍射級。 當加電時達到臨界介電常數之后， 在第4和-4衍射級中出現了高達80%衍射效率， 太赫茲波入射到光柵結構且發生衍射之后主要的能量一直集中在第0級衍射光斑中。 由于液晶材料具有各向異性， 在未加電時液晶微粒的光軸無序排列， 此時液晶材料的有效折射率與基體折射率不匹配， 對入射太赫茲波呈強烈的散射態， 無法透過移相器； 當施加偏置電壓時， 液晶微粒的光軸將逐漸沿電場方向取向， 液晶分子的有效折射率與石英基體的折射率得到了匹配， 太赫茲波可透過此器件呈現透明狀態， 而所設計的光柵結構對太赫茲波入射方向進行選擇的作用。 當液晶材料介電常數ε⊥=2.47， 大部分能量都集中在低衍射級次的光斑上， 更高級次的衍射光斑光強偏弱。 當液晶介電常數達到飽和態ε∥=3.26時， 液晶微粒絕大部分沿電場方向取向， 透過太赫茲波最強， 衍射級次也就最多， 光柵結構的衍射強度或衍射級次是可通過電場靈活調控。

圖4 不同液晶材料介電常數ε⊥=2.47(無外加電場)和ε∥=3.26(有外加電場)下太赫茲波通過移相器的衍射效率

圖5 不同液晶材料介電常數下太赫茲波衍射強度(a)： ε⊥=2.47； (b)： ε∥=3.26Fig.5 Terahertz wave diffraction intensity at different dielectric constants of liquid crystal materials

從未加電狀態到穩定加電狀態之間， 隨著液晶介電常數的不斷增大， 所設計太赫茲移相器的相移量也相應增大， 不同液晶材料介電常數下透過移相器太赫茲波相位曲線如圖6所示。 當液晶介電常數分別取為ε⊥=2.47和ε∥=3.26時，太赫茲移相器的相移量差值最明顯。 在0.39～0.46 THz(帶寬為70 GHz)頻段范圍內， 所設計太赫茲移相器的相移量均超過400°。 當頻率f=0.39 THz和f=0.46 THz時， 太赫茲移相器的相移量分別達到了405°和410°， 而且在頻率為f=0.43 THz時， 獲得太赫茲移相器的最大相移量為422°。

圖6 不同液晶材料介電常數下太赫茲波移 相器的相位曲線Fig.6 Phase curves of terahertz waves phase shifter under different dielectric constants of liquid crystal

在不改變其他條件的情況下， 分別對太赫茲波移相器在頻率為f=0.39 THz，f=0.43 THz，f=0.46 THz時， 各頻點相移曲線如圖7(a)所示。 從圖中計算結果可以得知， 當液晶材料的介電常數在2.47～3.26之間變化時， 頻率f=0.39 THz， 相位從-174.5°遞減至-575.5°， 最大相移量達到401°。 頻率f=0.43 THz， 相位從-232.2°遞減至-642.2°， 最大相移量達到410°。 頻率f=0.46 THz， 相位從-301.5°遞減至-701.5°， 最大相移量為400°。 圖7(a)給出了不同入射角下， 當入射太赫茲波頻率f=0.39 THz，f=0.43 THz，f=0.46 THz時相位曲線， 由圖可知該移相器在太赫茲波入射角0～30°范圍內， 太赫茲移相器的相移量保持不變， 因此太赫茲移相器對入射角度變化不敏感。 分別對該三個頻率點在TE和TM兩種偏振下的相位曲線進行計算得到結果如7(b)所示， 可見該移相器對入射太赫茲波的偏振不敏感。 太赫茲波移相器回波損耗曲線和插入損耗曲線如圖8所示， 從圖8(a)可以看出在頻率范圍0.39～0.46 THz， 隨著液晶介電常數不斷增大， 該太赫茲波移相器所產生的回波損耗也不斷增大， 但均保持在-11 dB范圍內。 從圖8(b)可以看出該太赫茲波移相器的插入損耗隨著液晶材料介電常數的增大而減小。

圖7 太赫茲波移相器的相位曲線(a)： 不同入射角下單頻點相位曲線； (b)： TE和TM偏振下單頻點相位曲線Fig.7 Phase curve of terahertz wave transmission through the phase shifter(a)： Single frequency point curve at different incident angles； (b)： Single frequency point curve under TE and TM polarization

圖8 太赫茲波移相器損耗曲線(a)： 回波損耗； (b)： 插入損耗Fig.8 Terahertz wave phase shifter loss curve(a)： Return loss； (b)： Insertion loss

4 結 論

提出一種光柵-液晶復合結構太赫茲移相器， 在0.39～0.46 THz頻率范圍內能實現相移量超過400°。 在頻率f=0.43 THz處實現最大相移量為422°。 太赫茲波的入射角0°～30°范圍改變情況下， 相移量保持不變， 太赫茲波相移器對入射角變化不敏感， 同時該相移器對入射太赫茲波的偏振狀態也不敏感。 由于所設計的太赫茲波相移器具有小型化、 相移量大等優點， 在太赫茲波傳感、 醫療成像等方面將具有廣闊的應用前景。